Idrologica Italiana Venezia, dicembre 2013

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Giustino Filippi
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Le Giornate dell Idrologia della Societàdell

Giornate Società Idrologica Italiana - 2013

Novembre 2014 Piani di gestione e sistemi di

1 Le Giornate dell Idrologia della Societàdell Idrologia Idrologicadella Italiana Le Giornate Società Idrologica Italiana Venezia, dicembre 2013 Cosenza, Novembre 2014 Piani di gestione e sistemi di early warning per la mitigazione del rischio idrologico, idraulico e idrogeologico Integrazione di modelli di innesco e di propagazione per la valutazione della pericolosità da colata detritica: Applicazioni all'area dei Monti Peloritani David J. Peres, Fabio Tumino e Antonino Cancelliere Università degli Studi di Catania Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura

2 Introduzione Pericolosità: probabilità che un fenomeno potenzialmente distruttivo si verifichi in un dato periodo di tempo ed in una determinata area (Varnes, 1984) La valutazione della pericolosità da fenomeni franosi è utile per identificare le aree urbanizzate a rischio e prendere opportuni provvedimenti per la mitigazione del fenomeno. morti, dispersi e feriti per Frana > Il P.A.I. identifica la pericolosità da fenomeni franosi sulla base di eventi passati (scarso valore predittivo); Frane profonde lente: propagazione a valle poco significativa Frane superficiali rapide: propagazione a valle significativa Evacuati e senzatetto per Frana > Mappa degli eventi di fr con vittime nel periodo

3 Introduzione Mappatura predittiva della pericolosità da colata detritica anche in aree in cui non si ha memoria di eventi franosi simulare eventi accaduti è (in)utile, ma solo per calibrare/validare il modello Approccio tradizionale 1) CPP 2) Idrogramma di piena liquido 3) flusso iperconcentrato 4) Propagazione Reologia complessa, fondo mobile, fluido bi-fasico

4 Introduzione Mappatura predittiva della pericolosità da colata detritica anche in aree in cui non si ha memoria di eventi franosi simulare eventi accaduti è (in)utile, ma solo per calibrare/validare il modello Approccio tradizionale 1) CPP 2) Idrogramma di piena liquido 3) flusso iperconcentrato 4) Propagazione Reologia complessa, fondo mobile, fluido bi-fasico

5 Introduzione Mappatura predittiva della pericolosità da colata detritica anche in aree in cui non si ha memoria di eventi franosi simulare eventi accaduti è (in)utile, ma solo per calibrare/validare il modello Approccio tradizionale 1) CPP??? 2) Idrogramma di piena liquido 3) flusso iperconcentrato 4) Propagazione Reologia complessa, fondo mobile, fluido bi-fasico

Introduzione Mappatura predittiva della pericolosità da colata detritica anche in aree in cui non si ha memoria di eventi franosi simulare eventi accaduti è (in)utile, ma solo per calibrare/validare

6 Introduzione Mappatura predittiva della pericolosità da colata detritica anche in aree in cui non si ha memoria di eventi franosi simulare eventi accaduti è (in)utile, ma solo per calibrare/validare il modello Approccio proposto 1) CPP 2) Modello idrologico-geotecnico per la stima delle aree instabili 3) Filtro per passare alla celle instabili da propagare 4) Propagazione Reologia complessa, fondo mobile, fluido bi-fasico

7 Terminologia

8 Terminologia unione

9 Terminologia unione Integrazione

10 Terminologia unione Integrazione Combinazione

11 Terminologia unione Integrazione Combinazione Accoppiamento

12 Metodologia: schema generale Mappatura predittiva della pericolosità da colata detritica tenendo conto delle varie fasi del fenomeno SCIDDICA E FLO-2D : POSTER: Research Survey About SCIDDICA-SS3, a Cellular Automata Model for Debris Flow Simulation

13 Metodologia: schema specifico Fase Stima della pericolosità da instabilità geotecnica: TRIGRS v.1 (Baum et al., 2002) e Curve di probabilità pluviometrica Calibrazione dei parametri di Flow-R sulla base di eventi storici attraverso Analisi ROC Applicazione del criterio per la determinazione delle celle che prendono parte alla colata: Filtro di Rickenmann and Zimmermann (1993) modificato Propagazione degli scenari di innesco di diverso tempo di ritorno: modello FLOW-R (Horton, 2008) Classificazione e mappatura della pericolosità da colata detritica Dati Precipitazioni massime annuali DEM e Mappa Pendenze Spessore della coltre δ0 Coesione c Angolo d attrito Φ Peso dell unità di volume terreno γs Permeabilità a saturazione Ks Diffusitività a saturazione D0 Area drenata minima necessaria per l innesco Smin Esponente di Holmgren x Angolo di arresto Velocità limite v

14 Metodologia: Individuazione delle celle instabili di fissato TR TRIGRS v. 1.0 (Baum et al., 2002) c' 1 s tan 2 d cos 1 lb tan ' (d lb d wt ) w tan ' w I D1t (2m 1)d lb ( 2m-1 )d lb 2 ierfc ierfc 1 1 K s m 1 2 2[ D1t ] 2[ D1t ] 2 Soglia deterministica (ietogrammi a intensità costante) (Salciarini et al., 2008)

15 Metodologia: dalle celle instabili alle celle innescate Filtro di innesco: Vengono propagate solo quelle celle instabili in cui la pendenza e l area drenata sono al di sopra di una soglia Smin Modifica parametrica della soglia di Rickerman & Zimmerman (1993)

Metodologia: propagazione della colata FLOW-R (Horton et al.

propagazione della colata (Corominas, 1996) Applicazione di algoritmi di flow direction (D8,

movimento) Criterio semplice che conservazione dell energia rispetta la Simplified

angle δa) e un limite di velocità v Parametri oggetto di calibrazione Soglia di area drenata

16 Metodologia: propagazione della colata FLOW-R (Horton et al., 2013) ARRESTO PROPAGAZIONE Risultato: un valore [0, 1] di suscettibilità relativa alla propagazione della colata (Corominas, 1996) Applicazione di algoritmi di flow direction (D8, Dinf, ) (Holmgren, 1994) Aggiunta di un termine di persistenza (inerzia del detrito in movimento) Criterio semplice che conservazione dell energia rispetta la Simplified friction-limited model (SFLM) Basato su un angolo massimo di propagazione (maximum travel angle δa) e un limite di velocità v Parametri oggetto di calibrazione Soglia di area drenata minima Smin Esponente x dell'algoritmo di Holmgren Angolo max di propagazione (minimum travel angle) δa Limite massimo di velocità di viaggio della colata v

Calibrazione dei parametri: Analisi ROC Tabella di contingenza Osservato Cella interessata dalla colata Cella interessata dalla Dal modello colata Cella non interessata dalla colata TPR FPR TP FP TP

17 Calibrazione dei parametri: Analisi ROC Tabella di contingenza Osservato Cella interessata dalla colata Cella interessata dalla Dal modello colata Cella non interessata dalla colata TPR FPR TP FP TP FN TP FP Δ=-1, Caso Peggiore Cella non interessata dalla colata TP FP (P') FN TN (N') (P) (N) Funzione obiettivo da massimizzare -1 < Δ < 1 Δ=1, Caso Ideale Veri Positivi (TP) possono falsare l analisi in quanto dipendono dal dominio di calcolo

passato (mappatura predittiva) Il tempo di ritorno dell innesco viene combinato con la suscettibilità

18 Mappatura predittiva della pericolosità Una volta calibrato il modello, è possibile applicarlo in siti simili al fine di ricavare mappe di pericolosità, anche dove non si ha memoria di eventi verificatisi in passato (mappatura predittiva) Il tempo di ritorno dell innesco viene combinato con la suscettibilità legata alla propagazione per determinare la pericolosità Con Pericolosità: P4 P3 P2 P1 Molto Elevata Elevata Media Scarsa

dalla colata Quadro simulazioni (108) Precipitazione v

19 Calibrazione del modello: Giampilieri Evento del 1 Ottobre 2009 Evento Mappatura delle aree interessate dalla colata Quadro simulazioni (108) Precipitazione v Smin (ha) x δa [ ] 0, , , ,005 [m/s]

20 Calibrazione: Celle instabili e celle propagate Celle innescate (propagate) Smin=0,005 ha Smin=0,01 ha Smin=0,02 ha Smin=0,04 ha Celle Instabili

21 Calibrazione: propagazioni e analisi ROC Δ=0,34 Δ=0,41 Δ=0,37 Δ=0,50 Δ=0,46 Δ=0,32 Smin=0,04 ha Δ=0,43 Δ=0,36 Smin=0,02 ha Δ=0,37 Δ=0,31 Smin=0,01 ha Δ=0,44 Δ=0,33 Smin=0,005 ha

Calibrazione: Parametri ottimali Celle x 100 Δ Parametri corrispondenti 2 0,413 3 0,459 4 0,440 5 0,431 Celle x 50 Δ Parametri corrispondenti 2 0,446 3 0,504 4 0,496 5 0,494 Celle x 25 Δ Parametri

22 Calibrazione: Parametri ottimali Celle x 100 Δ Parametri corrispondenti 2 0, , , ,431 Celle x 50 Δ Parametri corrispondenti 2 0, , , ,494 Celle x 25 Δ Parametri corrispondenti 2 0, , , ,428 Celle x 12 Δ Parametri corrispondenti 2 0, , , ,442 Propagazione per il set di parametri ottimale ottenuto: Smin = 0,02 ha; Esponente di Holmgren = 3; Angolo di arresto minimo 6 ; velocità massima = 10 m/s

23 Mappatura predittiva Bacino insistente sulla A18 CPP Tr Camaro n=0.352 a 5 45, , , , , , ,79 Presenza di un tombino

24 Mappatura predittiva Celle instabili TRIGRS Celle innescate Applicazione del filtro calibrato

25 Caso Studio A18 Propagazione per i diversi scenari di innesco (FLOW-R)

26 Risultati Pericolosità da colata detritica per il bacino, ottenuta combinando i risultati

27 Conclusioni La metodologia messa a punto, basata sull'utilizzo in cascata di diversi modelli, consente la mappatura della pericolosità da colata detritica anche in bacini per i quali non si ha memoria di eventi passati Utilizzo dei modelli idrologico-geotecnici in ingresso a modelli di propagazione, anziché idrogrammi solidi derivati incrementando il volume di quelli liquidi Procedura riproducibile (non è necessario definire punti di immissione ) e concettualmente più coerente con la fenomenologia reale La metodologia messa a punto, è applicabile, con leggere modfiche, a modelli diversi, sebbene il modello FLOW-R per la sua semplicità consente di effettuare la calibrazione in tempi relativamente brevi L accuratezza che si guadagna grazie all uso di complessi modelli di propagazione deve rapportarsi con le incertezze nella definizione dell input, nonché nella modellazione digitale del terreno e la presenza di ostacoli

28 Le Giornate dell Idrologia della Societàdell Idrologia Idrologicadella Italiana Le Giornate Società Idrologica Italiana Venezia, dicembre 2013 Cosenza, Novembre 2014 Piani di gestione e sistemi di early warning per la mitigazione del rischio idrologico, idraulico e idrogeologico Integrazione di modelli di innesco e di propagazione per la valutazione della pericolosità da colata detritica: Applicazioni all'area dei Monti Peloritani David J. Peres, Fabio Tumino e Antonino Cancelliere Università degli Studi di Catania Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura

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